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1、I 摘 要 数控是先进制造技术的基础技术。数控加工在现代化生产中 显示出很大的优越性。 网络在数控中的广乏应用必定带来制造技术的飞跃发展，尤 其是在航空、军事、民用、航天中带了质的变化。我国在上面的 研究还处于开始阶段。 本文主要讲述了DNC的发展和在数控中的应用，简述了它的概 念，定义。介绍了远程终端在数控中的起的作用，主要还是介绍 的关于DNC在制造中的一些应用。 关键词：数控技术、DNC、CAM、CAD、无线通信、NC 数据 II 目 录 前 言1 第 1 章 数控技术概述2 1.1 数控及数控技术的基本概念 .2 1.1.1 数字控制(数控)及数控技术 .2 1.1.2 数控系统2 1
2、.1.3 数控系统的分类2 1.2 数控加工技术的发展历程 .3 第 2 章 常用 CAD/CAM 软件简介5 2.1 MASTER CAM.5 2.2 CIMATRON E .5 2.3 PRO/ENGINEER 5 2.4 UG .6 第 3 章 概 述7 第 4 章 什么是 DNC 9 第 5 章 DNC 系统简介 .10 5.1 控制系统体系的结构 10 5.2 DNC 系统的地位及功能 .11 5.3 DNC 系统软件体系结构 .12 5.4 DNC 系统软件的数据模型 .12 5.5 DNC 系统的物理配置基本结构 .14 第 6 章 数控机床网络 DNC 的几种模式.15 6.1
3、 串行通讯 RS-232C 模式 15 6.2 现场总线模式 18 6.3 局域网模式 20 第 7 章 数控机床网络 DNC 基本功能.22 7.1 通讯功能 22 7.2 控制功能 23 第 8 章 数控机床网络 DNC 发展方向.25 8.1 新型网络通讯技术 25 8.2 无线通信技术 25 8.3 信息的高度集成.25 第 9 章 总结及创新探讨.27 9.1 研究市场 开拓创新 .27 9.2 资源创新 28 9.3 开发手段创新 28 III 9.4 开发组织形式的创新 28 9.5 保护和利用知识产权 29 9.6 试验方法和手段的创新 29 参考文献31 1 前 言 在大学三
4、年里我学到了很多东西，也失去了太多。总的来说，我的 大学生活是美好的，在这里我学到了以前从没有想过的、见过的。在这 的三年，也让我有了走入社会的资本。 在下面的论文里介绍了我学到的和我自己步入社会后又接触到的， 学校里学习的那些设计软件让我有比别人多的筹码，但是，在工作以后 也认识到了自己在学习中的不足，所以为了以后能够站住脚跟，拥有自 己的一片天地，我还要学习多接触一下关于数控方面的先进技术和理论。 在论文里面主要介绍了数控网络方面的内容，让我明白以后该努力的方 向，了解了数控远程控制的一些基本内容，一些柔性单元的应用，在二 零零七年初去汇金铸造厂实习，让我见到了较先进的数控设备，感到了 自
5、己的渺小和无知，也学到了一些东西，同时为自己祖国在数控系统方 面的落后而感到悲哀，我们会努力的。 在学校里老师们的淳淳教导让我们明白了许多做人的道理，在学习 上的传授更让我们受益。 第 1 章 数控技术概述 2 第1章 数控技术概述 1.1 数控及数控技术的基本概念 1.1.1 数字控制(数控)及数控技术 机床中的数字控制专指用数字化信号对机床的工作过进行的可编程 自动控制，简称为数控(NC)。这种用数字化信息进行自动控制的技术就 叫数控技术。 1.1.2 数控系统 数控系统是实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统， 是数控技术的载体。能自动阅读程序，译码，使机床按指令运动并加工 零件
6、 1.1.3 数控系统的分类 计算机数控系统： 计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统，由装有数控系统程 序的专用计算机、输入输出设备、可编程逻辑控制器(PLC)、存储器、 主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，习惯上又称为 CNC 系统 开放式 CNC 系统 定义：一个开放式 CNC 系统，应保证使开发的应用软件能在不同厂商提 供的不同的软硬件平台上运行，且能与其他应用软件系统协调工作 开放式 CNC 系统的五个特征： (1)对使用者是开放的：可采用先进的图形交互方式支持下的简易 第 1 章 数控技术概述 3 编程方法，使得数控机床的操作更加容易 (2)对机床制造商是开放的：应允许机床制造商在
7、开放式 CNC 系统 软件的基础上开发专用的功能模块及用户操作界面。 (3)对硬件的选择是开放的：即一个开放式 CNC 系统应能在不同的 硬件平台上运行。 (4)对主轴及进给驱动系统是开放的：即能控制不同厂商提供的主 轴及进给驱动系统。 (5)对数据传输及交换等是开放的 1.2 数控加工技术的发展历程 1949 年美国 Parson 公司与麻省理工学院开始合作历时三年研制出 能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“NumericalControl” 。 1953 年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线， 即可生成 NC 程序的自动编程语言。 1959 年美国 Keaney curren
8、tly loaded NC file int FixtureStatus; fixture status public: MACHINETOOL(); char* getCurrentNCFile(); void setCurrentNCFile(charF); Int getFixtureStatus(); void setFixtureStatus(int S); virtual int processPart(char PartName); 第 5 章 DNC 系统简介 14 virtual int downloadNCFile(charFile); virtual int stopMa
9、chine(); virtual in graspPart(); virtual int releasePart(); ； 5.5 DNC 系统的物理配置基本结构 基于 CORBA 的车间层控制系统需要两种层次的互连。第一层是利用 计算机局域网技术和协议软件把由异构计算机组成的车间层控制器、设 备控制器等互连起来，第二层是在这一互连的基础上，实现各节点、各 被控的异构制造设备(如加工中心、机器人、PLC 等)之间的信息交互， 这种交互通过制造信息规范(MMS)实现。作为车间层控制系统的一个重 要组成部分，本文 DNC 系统的物理配置基本结构如下图所示，主计算机 通过网络介质(具有独立 IP 地
10、址的终端服务器)分别连接多台 CNC 系统 实现 NC 程序的装卸、刀具数据的传递、操作命令的下达和状态信息的 反馈。这是一种通过局域网连接起来的通信结构，它具有包括物理层、 数据链路层、传输层及应用层等的四层结构，其中数据链路层采用 LSV2 通讯协议，传输层采用 DNC 协议(如 SINUMERIK 或 PHILIPS 协议)。 第 6 章 数控机床网络 DNC 的几种模式 15 第6章 数控机床网络DNC的几种模式 目前，数控机床网络 DNC 一般采用三种网络接口，即：基于串行 通讯 RS-232C 模式，以太网络模式和现场总线模式，以下分别做一简要 说明。 6.1 串行通讯 RS-23
11、2C 模式 目前，在 DNC 市场上通过 RS-232C 口通讯产品存在着两种类型(包 括三种结构)的产品，即带机床操作盒和不带机床操作盒两种，其结构 分别说明如下： (1) 带机床操作盒模式，如图 2-1 所示： 图 5-1 DNC 网络结构图形式一 这种连接方式是九十年代中期出现的模式，在当时大家还普遍使用 单机传输的年代此方式是一种创新，可以说它代表了当时我国 DNC 产品 的最高水平。MOXA C320Turbo 卡（或其它多路串行通讯卡）是通过 ISA（或 PCI）插卡的方式与计算机连接，再通过一根带屏蔽的 10 芯电 第 6 章 数控机床网络 DNC 的几种模式 16 缆线接通讯模
12、块，每个通讯模块带 8 个通讯口，可以多个通讯模块级联， 最多可以 8 个，每个计算机又可以扩展 4 个 ISA（或 PCI）插卡，这样 一台计算机最多可以扩展 256 个 RS-232 口。通讯模块与计算机之间距 离不能太长，一般在十几米左右。程序的上传和下载是通过操作机床操 作盒来实现的（当然，数控端也还要进行相关的上传下载操作）。 (2)新型带机床操作盒模式，如图 2-2 所示： 图 5-2 DNC 网络结构图形式二 注意,此图与上一图的一个最大的区别是：MOXA 的多路串口服务器 变为 CN2516（或其它多路串口服务器），它是一个局域网络上的一个 节点，通过 HUB 或交换机来与 N
13、C 程序管理计算机相连的，这样，它可 以放在车间的任一固定位置上，大大减少了车间到计算机室之间的布线， 只需一根网线即可，另外，CN2516 还可以多台计算机上安装其驱动程 序，多台计算机同时监视控制，给用户的维护工作也带来方便。 (3) 现代模式（不带机床操作盒），如图 2-3 所示： 第 6 章 数控机床网络 DNC 的几种模式 17 图 5-3 DNC 网络结构图形式三 此类型是在上一类型的基础上变化而来,它去掉了机床操作盒,连接 更简单,其它通讯功能完全一样，甚至可以做得更强，更方便。目前市 场上大部分 DNC 厂商提供的产品均是基于此模式下的。 由于去掉了机床操作盒，程序发送和接受程
14、序的文件名称等通讯信 息就需要由 CNC 来发送，一般的做法是：在 CNC 上编制一个特殊的程序 （此程序并不真正执行，所以并不需要关注它是否符合语法规则），其 中包含一些特征字符串来表达发送程序或接收程序，比如： （A）程序请求 % O1000 （/GETXXXX） （其中 XXXX 代表需要请求下传的文件名称） M30 % 编制好此文件后，先将此文件发送给计算机，计算机接收到此文件 第 6 章 数控机床网络 DNC 的几种模式 18 后就进行分析，如果是请求文件下载指令，就生成一个程序下载队列， 等待机床发送开始下传指令后就将请求程序下传。 （B）程序发送 程序发送时，只需在原程序中加入特
15、征字符行即可，此代表你希望 在计算机上保存的文件名称。例如： % O1000 （/NAME XXXX） （XXXX 代表希望在计算机上保存的文件名 称） M30 % 当前文件上传到计算机上后，计算机如果分析到特征字符 /NAME（特征字符的型式应根据系统的特殊要求而定，在此仅作示意）， 就将当前文件保存到其后的字符串所代表的文件中，如果未找到特征字 符则保存到“O1000.NC”中（即程序号前加字母 O）。 6.2 现场总线模式 虽然目前在数控车间 DNC 系统中应用最为广泛的就是 RS-232 串行 通讯接口，但是当 DNC 主机连接的 CNC 设备比较多时，就存在着连线多、 通讯复杂的问题
16、，而且串行接口可靠性差、速度低，基于这些问题，迫 使人们去寻求更好的解决方案。 现场总线（Field Bus）是应用在工业现场、在微机化控制设备之 间实现双向串行多节点数字通信的系统，是国际上 20 世纪 90 年代蓬勃 第 6 章 数控机床网络 DNC 的几种模式 19 发展起来的新技术。它的应用形成了新型的网络集成式分布控制系统。 它能同时满足过程控制自动化和制造自动化的需要。由于现场总线是基 于数字通信的，因此在现场与控制室之间能进行多变量双向通讯。为解 决数据大量高速传输、实时性、通讯距离等问题，发展高速化数据通讯 技术及大量使用现场总线（Field Bus）就成为必须。未来十年集成系
17、 统将是 Field Bus 时代。现场总线采用了三层网络结构物理层、数 据链路层和应用层，其体系结构如图 2-4 所示。目前现场总线已有好多 种类，应用较多的有 CAN(Controller Area Network)、LON（Local Operating Network）、Profibus 等。下面仅以 CAN 总线方式说明现 场总线在 DNC 中的应用。 图 2-4 现场总线的体系结构 作为工业现场控制的网络系统，可靠性和实时性是最主要的要求， CAN 总线在这方面有很多独到的特点：首先为满足可靠性要求，CAN 总 线采用了循环冗余码校验、框架检测、确认信号出错检测、总线监控、 第 6
18、 章 数控机床网络 DNC 的几种模式 20 位填充等几种错误检测和纠错措施，从而达到了很高的可靠性，平均误 码率小于 10-13；其次，CAN 采用了独特的位仲裁技术，比 CSMA/CD 网 （IEEE802.3）和令牌网(IEEEE802.4)具有更高的实时性；此外 CAN 总 线传输速率可达 1Mbps，远距离传输可达 10km，接口简单，安装方便， 系统成本低。传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN 总线 的拓扑结构如图 2-5 所示。 6.3 局域网模式 随着计算机应用技术和网络技术的迅速发展，数控系统的功能也得 到了极大的提高，由此，在近几年中，在 DNC 领域又出现了一
19、种新型的 数控机床网络 DNC 型式-基于以太网络的 DNC。 由于技术的不断发展，网络和开放概念的不断深入，技术的开放性 被大家一致认同，世界上各著名数控系统制造商纷纷投资研制 DNC 通讯 接口，提供符合 MAP 标准的 DNC 网络接口选件和通讯软件，如 FANUC 的 0I（MB）以上的数控系统均具有 DNC 网络接口选件，并提供了开发 接口库，第三方开发商可以在此基础上进行二次开发，由此可以形成功 能强大的真正的 DNC，可以对数控机床进行全面的控制。采用局域网通 讯方式大大提高了 NC 程序管理的效率，同时，通过 TCP/IP 通讯协议进 行网络通讯的局域网模式即将成为一种普及的方
20、式，其系统连接如下图 所示： 第 6 章 数控机床网络 DNC 的几种模式 21 图 2-6 局域网式 DNC 系统结构图 现场总线方式和局域网方式能够长距离连接多种现场设备，但是现 场总线必须有自己的专用协议，必须采用相应的开发工具和开发平台， 价格比较昂贵，且不同的厂商不同的设备间难以做到互操作。 第 7 章 数控机床网络 DNC 基本功能 22 第7章 数控机床网络DNC基本功能 其实，数控机床网络 DNC 采用什么网络结构并不是最重要的，关键 是 DNC 系统能给用户提供什么样的服务，用户从中能获得多大的效益。 由 DNC 本身的定义来看，其在生产现场所扮演的角色也是不断发展变化 的，
21、由对设备“直接数字控制”演变成“分布式数字控制”，DNC 的基 本功能主要归纳如下： 7.1 通讯功能 NC 程序的双向传输：所有数控设备实施联网集中管理，利用网络 进行 NC 程序（包括机床参数，刀补文件，宏程序等）的双向传输，从 而实现 NC 程序的海量存储、集成化管理。 客户/服务器结构：将每台数控机床定义为客户端设备，利用数控 系统自身的通讯端口（如 RS232，以太网络，现场总线等）、通讯功 能，操作工可在数控机床端进行数据的双向传输以及访问管理服务器端 数据的全部操作，服务器端对数控端的操作请求自动进行相关处理而无 需人为干预。 群控与距离：单台计算机管理数控机床群；通讯距离可达到
22、几公里。 DNC 网络的并发操作：保证所有入网数控设备可在同一时刻进行并 发式的通讯传输。 DNC 在线加工：全客户端方式的 DNC 在线加工，可保证诸如断点续 传、子程序调用等功能均可由操作工在数控端实现。 交互式事件响应机制：数控端的每一项操作都应有消息反馈，即无 第 7 章 数控机床网络 DNC 基本功能 23 论操作是否正确，操作工在数控设备端都能够得到提示信息文件。 数据共享：让操作工可在本地数控设备访问其它数控设备或虚拟机 床信息，方便零件的转移加工。 支持长文件名称：NC 程序名称在 WINDOWS 平台上实现长文件名管理， 并在程序传输时与程序号自动转换。 通讯日志：记录工作者
23、所有通讯过程，并对记录的信息进行分类查 询。 信息采集：通过机床的宏程序变量输出功能，实现机床加工信息的 实时采集，并可以实时汇总机床使用效率、零件加工工时、刀具使用寿 命等信息。 网络通讯平台：利用 DNC 通讯网络发送加工任务、刀具信息、工艺 信息和加工成绩汇报等，以实现生产信息的初步集成。 7.2 控制功能 在普通的 RS-232C 串行通讯口的网络模式下，DNC 无法做到对数控 机床的实时控制，一般来说只有采用以太网式 DNC 或采用现场总线式 DNC 才可以达到此目的，其主要控制功能如下： CNC 网络设置： 设置联网 CNC 的 IP 地址、端口地址 CNC 状态监视： 加工状态：
24、加工中、空闲、报警、故障信息 联网状态：联机、脱机 位置信息：绝对位置、相对位置、机械位置、剩余移动量、进给速 度 第 7 章 数控机床网络 DNC 基本功能 24 历史记录：报警历史记录、操作履历 CNC 远程控制 显示各种机床参数 设置各种机床参数 显示 NC 程序各种信息：如内存大小，程序数等 选择 NC 程序：选择当前加工程序、查找任意 NC 程序 编辑 NC 程序：编辑 CNC 系统中的 NC 程序 删除 NC 程序：直接删除 CNC 系统中的 NC 程序 清除报警历史记录 清除操作履历 系统复位：通过远程 CNC 复位 远程启动：通过远程启动加工 远程暂停：通过远程暂停加工 第 8
25、 章 数控机床网络 DNC 发展方向 25 第8章 数控机床网络DNC发展方向 数控机床 DNC 网络技术将在单项技术的基础上，应用计算机网络通 信技术，实现信息的高度集成，并向 CIMS 方向发展。DNC 网络今后发 展的要点如下： 8.1 新型网络通讯技术 正如上面讨论的那样，新型网络通讯技术有两种，即以太网络和现 场总线方式，对数控系统制造商来说，向开放式系统发展，即将 PC 微 机技术融合到数控系统中，应用界面 MS-WINDOWS 化，充分利用 PC 微机 主流操作系统 MS-WINDOWS 庞大的软件资源，使数控系统联网通信更加 便捷。目前越来越多的 CNC 制造商为其 CNC 提
26、供了以太网络接口和现场 总线接口。开放式数控系统有两种方式： PC-CNC：在 PC 微机的基础上融合 CNC 功能。 CNC-PC：在 CNC 系统融合 PC 微机的功能。 8.2 无线通信技术 采用无线通信技术，实现计算机与数控机床间通讯无线化，以减少 现场施工，缩短工期。无线 Modem 技术指标如下所示： 带 RS-232C 接口 2.4GHZ，无需办理频率申请。 高速（119Kbps）、高可靠性。 有效通信距离 100200m。 8.3 信息的高度集成 第 8 章 数控机床网络 DNC 发展方向 26 采集更完备的机床信息，为车间生产管理提供第一手信。智能分析 采集的信息。对设备进行
27、实时控制。与 ERP，PDM，MES 等系统真正无缝 联结。 第 9 章 总结及创新探讨 27 第9章 总结及创新探讨 上面所介绍的几种 DNC 模式，近十年来笔者都曾进行了大量的实验、 开发，有些模式已形成了成熟的产品。以上所述内容如有不当之处敬请 批评指正。 总之，在我国，数控机床网络 DNC 经过十多年来的发展，经历了艰 难曲折的发展道路，如今在高新技术不断发展的年代取得了长足的进步， 但是，目前除了基于 RS-232C 串口通讯的模式下出现了有限的几款优秀 DNC 产品外，在局域网络和现场总线方式下只是作了一些有限的探讨， 还未出现成熟的产品，还需要广大同仁再接再励，为我国制造业作出更
28、 大的贡献！衷心祝愿数控机床网络 DNC 之花在广袤的制造业市场上灿烂 地开放！ 要想在激烈竞争的国际工程机械行业占有一席之地，必须加强产 品创新，加速实现主导产品的机电液一体化，增加产品的技术含量，开 发出具有国际领先水平的高附加值产品。产品创新设计必须紧紧围绕产 品上市时间、产品质量、产品成本及服务来开展。本文在产品创新方法 方面进行了一些探讨。 9.1 研究市场 开拓创新 在计划经济年代，企业只是单纯的生产部门。所生产的产品汕国家 包销，企业没有或很少有市场意识，创新动力不足，造成产品几十年不 变。 在市场经济下，竞争日趋激烈，企业只有推出被市场接受的产品， 才能生存下去。因此，企业必须
29、下大力气研究分析市场、开拓市场，从 市场和客户处取得新产品开发和老产品改造的需求信息，通过技术创新 第 9 章 总结及创新探讨 28 不适应市场竞争和客户需求的产品，要求做好产品规划，开展产品创新 开发和技术创新研究，以增加企业的实力、发展后劲和竞争能力。 9.2 资源创新 人力资源（人及其组织）是影响产品创新设计的关键。必须采取有 效措施发挥技术人员的创造能力，建立吸引高层技术人才并让其在技术 研究及产品开发中发挥核心作用的用人机制，站在企业长远发展的战略 高度合理使用和培养高层次技术人才。为实现企业的近、远期目标，建 立相应的技术开发体系（组织） ，实施多层次的技术开发，并有相应机 构对技
30、术开发经费的使用及项目进行管理和评估。 9.3 开发手段创新 传统的产品设计方法大多是模仿或经验设计，设计手段落后。初级 CAD 的应用主要在计算机绘图、改图、编制明细表等方面，而三维 CAD 设计、有限元分析、优化设计、可靠性设计、信息与电子技术等现代设 计理论方法在工程机械产品设计开发中的应用仍然很少，造成品种单一、 结构陈旧，由此带来产品市场竞争力不强，企业经济效益低下。 提高和增强企业的产品开发手段，是增强技术创新能力的有效方法。 信息及其它高新技术的发燕尾服和成熟应用，为企业产品开发手段创新 开辟了有效的途径。随时着以 CAD 技术为代表的信息技术在产品开发中 的深入应用，将开创崭新
31、的产品开发模式数字化产品设计，由此带来 设计观念、设计方法、组织形式的全面创新，将迎来工程机械产品设计 的现代化。 9.4 开发组织形式的创新 第 9 章 总结及创新探讨 29 在信息技术的支持下，产品开发的组织形式正向并行设计模式发展。 所谓并行设计是对产品开发中的每一个过程都尽早考虑相关的各种因素。 并行设计改变了传统的串行工作方法，使得在设计阶段就可能有制造和 行销服务人员的介入和彼此信息交互，可以避免失误，避免反复，拉强 综合协同，以提高产品开发全过程（设计/工艺/制造/市场/服务）的质 量，缩短产品开发周期和降低产品整个生命周期的成本。并行设计是对 传统产品开发组织方式的创新，是激烈
32、的市场信息竞争的必然产物。 9.5 保护和利用知识产权 企业产品创新开发就是要应用和体现自身的专有技术，并以专利的 形式来保护创新成果。企业在新产品开发与技术研究的各个环节，对专 利应有强烈的意识。决策技术开发方向时，要广泛了解国内外专利发展 动态；研究开发新产品时，应检索专利文献，以提高创新开发起点，确 保项目具有先进水平；研究开发新技术和新产品过程中，要注意技术保 密，并及时申请专利，以保护企业的知识产权；开发新产品过程中，应 利用新技术（包括专利技术）为企业服务。 9.6 试验方法和手段的创新 激烈的市场竞争，要求新产品的性能和可靠性试验，必须改变过去 用户试验的落后模式，对创新成果要认
33、真进行台架试验和工业性可靠性 试验。通过试验方法和手段的创新，提高企业自主创新能力，提高产品 的可靠性和市场竞争力。 工业化国家在工程机械发展过程中，十分重视产品的工业性可靠试 验，设置建造各种试验台和试验室，不仅对各部件的材料、强度、物理、 化学特性等进行多项试验研究，而且从系统和整机上进行各种性能、环 第 9 章 总结及创新探讨 30 境和新技术的应用试验研究和基础试验研究，如进行结构疲劳强度、土 壤机器系统、牵引动力学、电子控制技术、液压与液力传达室动、人 机工程、振动、环境和噪声、节能等试验研究。 产品是企业发展的龙头。因此，抓住产品创新就是抓住了企业的生 命线，而企业的创新能力是企业
34、取胜的关键。 参考文献 31 参考文献 1、韩江 网络数控系统的概念及其技术内容 中国机械工程， 2001 (10) ， 15 2、张洁 智能化数控加工单元的远程操作与控制系统 中国机械工程， 1998 (12) ， 722 3、周奇 基于网络的数控制造技术 机电工程，2002 ， 2427 4、贾振原 远程控制快速成型加工技术研究 大连理工大学学报， 2001 ， 724 5、王建峰 一种基于 Internet 的远程监控系统 制造业信息化， 2002 (3) ， 724 6、史旭明 基于 PC 的开放式数控系统在 Intranet 中的应用 组合机床 与自动化加工技术， 2001 ， 731